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1、应力分析讲义1为什么要做管道应力分析？压力、重力、风、地震、压力脉动、冲击等外力载荷和热膨胀的存在，是管道产生应力问题的主要原因。其中，热膨胀问题是管道应力分析所要解决的最常见和最主要的问题。通俗来讲管道应力分析的任务，实际上是指对管道进行包括应力计算在内的力学分析，并使分析结果满足标准规范的要求，从而保证管道自身和与其相连的机器、设备以及土建结构的安全。一般来讲，管道应力分析可以分为静力分析和动力分析两部分。2静力分析是指在静力载荷的作用下对管道进行力学分析压力、重力等荷载作用下的管道一次应力计算压力、重力等荷载作用下的管道一次应力计算-防止塑防止塑性变形破坏；性变形破坏；热胀冷缩以及端点附
2、加位移等位移荷载作用下的管道二热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的管道二次应力计算次应力计算-防止疲劳破坏；防止疲劳破坏；管道对机器、设备作用力的计算管道对机器、设备作用力的计算-防止作用力过大，保防止作用力过大，保证机器、设备正常运行；证机器、设备正常运行；管道支吊架的受力计算管道支吊架的受力计算-未支吊架设计提供依据；未支吊架设计提供依据；管道上法兰的受力计算管道上法兰的受力计算-防止法兰泄漏；防止法兰泄漏；管系位移计算管系位移计算-防止管道碰撞和支吊点位移过大。防止管道碰撞和支吊点位移过大。静态分析目的3动态分析目的动力分析则主要指往复压缩机和往复泵管道的振动分析、管道的地震分析、
3、水锤和冲击荷载作用下管道的振动分析。往复压缩机（泵）管道气（液）柱固有频率分析往复压缩机（泵）管道气（液）柱固有频率分析-防止防止气（液）柱共振；气（液）柱共振；往复压缩机（泵）管道压力脉动分析往复压缩机（泵）管道压力脉动分析-控制压力脉动值；控制压力脉动值；管道固有频率分析管道固有频率分析-防止管道系统共振；防止管道系统共振；管道强迫振动响应分析管道强迫振动响应分析-控制管道振动及应力；控制管道振动及应力；冲击荷载作用下管道应力分析冲击荷载作用下管道应力分析-防止管道振动和应力过防止管道振动和应力过大；大；管道地震分析管道地震分析-防止管道地震力过大。防止管道地震力过大。4应力、应变、及应力
4、状态总应力可以分解为垂直于截面正应力和截面相切剪应力的和成。构件中的线应变构件内各点的应力不同。三向，二向，单向应力状态5基本应力基本应力 使用局部坐标系可以将管系应力使用局部坐标系可以将管系应力 (以及产生以及产生这些应力的载荷）这些应力的载荷）the loads that cause them) 分为下面几种：分为下面几种：纵向应力 - SL环向应力 - SH径向应力 - SR剪切应力 - 6纵向应力分量纵向应力分量沿着管子的轴向。轴向力轴向力除以面积 (F/A)压力Pd / 4t or P*di / ( do2 - di2 )弯曲力矩最大应力发生在圆周的最外面。Mc/II/R(半径 )=
5、 Z (抗弯截面模量);使用 M/Z7由于压力产生的环向应力由于压力产生的环向应力垂直于半径 (圆周)Pd / 2t用薄壁的近似值。环向应力用于设计管道壁厚，尽管它不是“综合应力”的一部分。环向应力根据直径、操作温度下的许用应力、腐蚀余量，加工偏差和压力用来定义管子的壁厚。根据Barlow, Boardman, Lam来计算。8由于压力产生的环向应力由于压力产生的环向应力垂直于半径 (圆周)Pd / 2t用薄壁的近似值。环向应力用于设计管道壁厚，尽管它不是“综合应力”的一部分。环向应力根据直径、操作温度下的许用应力、腐蚀余量，加工偏差和压力用来定义管子的壁厚。根据Barlow, Boardma
6、n, Lam来计算。9剪切应力剪切应力平面内垂直于半径。剪切力这个载荷在外表面最小，因此在管系应力计算中省略了这一项。在支撑处要求局部考虑。扭矩最大的应力发生在外表面。 MT/2Z10 “综合应力综合应力”中的基本应力中的基本应力评价评价 3-D 应力应力S = F / A + Pd / 4t + Mc / Z 轴向、纵向压力和纵向弯曲所产生的应力之和。根据规范和载荷工况的不同上式将发生变化。11管道变形的基本形式管道在外力作用下期尺寸和状态都将发生变化。主要用线位移和角位移来度量。无非轴向拉伸或压缩、剪切、扭转和弯曲四种形式之一，或其组合。一、轴向拉伸和压缩 二、剪切12管道变形的基本形式三
7、、扭转扭转变形的静力关系截面上的扭矩抗扭截面模量剪应力最大值13管道变形的基本形式四、弯曲多种载荷都可能在管道内产生弯矩，造成管道弯曲。横力弯曲：管道截面不但存在弯矩，还有剪力。纯弯曲：管道两端只有弯矩而无剪力时的弯曲变形。14管道变形的基本形式四、弯曲管道横截面上最大正应力发生在距离中性轴最远处。为弯矩/抗弯截面模量Iz横截面z轴（中性轴）的截面惯性矩。Wz抗弯模量15载荷种类载荷种类 Load Type一次荷载Primary load二次荷载Secondary load偶然荷载Occational load16一次荷载Primary load该荷载伴随结构的变形而不消失17二次荷载Seco
8、ndary load该荷载伴随结构的变形而消失。18偶然荷载Occasional load类似一次荷载，不持续发生，偶尔会发生作用19管道应力的校核管道应力的校核主要是为了防止管壁内应力过大造成管道自身的破坏。各种不同载荷引发不同类型的应力，不同的应力对损伤破坏的影响各不相同，如果根据综合应力进行应力校核会导致过于保守的结果。因此管道应力的校核采用了应力分类。危险小的应力，许用值放宽；危险大的应力，许用值严格控制。应力分类是根据应力的性质不同人为进行的，它并不一定是实践能够测量的应力。20规范要求的载荷工况规范要求的载荷工况规范要求使用两个主要失效方式的失效理论。一次失效。(W+P+F) SU
9、SSh二次失效。DS1-DS2(T+D) 0 阀门等总重 =定义的重量+流体重+1.75*保温厚（根据定义的外径） 如果 重量 = 0总重 = 0，不考虑定义的流体&保温。40大小头大小头双击大小头复选框双击大小头复选框添加大小头添加大小头在软件辅在软件辅助状态区助状态区定义大小定义大小头属性头属性大小头另一端管大小头另一端管道直径和壁厚道直径和壁厚2方法二：单击插入大方法二：单击插入大小头按钮添加大小头小头按钮添加大小头141三通和应力增大系数的定义双击三通复选双击三通复选框添加三通框添加三通在软件辅在软件辅助状态区助状态区定义三通定义三通属性属性三通形式平面内，三通形式平面内，平面外的应力
10、增大平面外的应力增大系数（依据相应规系数（依据相应规范定义）范定义）2方法二：单击插入三方法二：单击插入三通按钮添加三通通按钮添加三通1在超过规范定义的标在超过规范定义的标准范围之外的三通和准范围之外的三通和弯头需要自定义应力弯头需要自定义应力增大系数增大系数42一般的约束定义注意：其它形式的约束定义我们将在注意：其它形式的约束定义我们将在“约束约束”这一章单独讲解！这一章单独讲解！43弹簧设计44关联节点Node-Cnodes1245这两个模型在结构上是相同的。右边的模型在节点55固支，并与56节点相连。 55 - 56没有单元。现在，固支将显示节点55作用在56的“内”载荷。关联节点Nod
11、e-Cnodes46打断命令打断命令将在一个已存在的管子中增加节点；它可以为任何位置处的一个节点或根据节点增量生成等间距的多个节点。自动获取其它约束自动获取其它约束点上的约束形式点上的约束形式47自动封闭环线 Close Loop 命令用正确的管单元长度自动连接定义的节点（这里为90到15）来生成环线。48插入命令的使用在当前管道单元前面插入在当前管道单元前面插入一个新的管道单元一个新的管道单元在当前管道单元前面插入一在当前管道单元前面插入一个新的管道单元个新的管道单元注意：插入命令的使用一般是在原有管线上修改时使注意：插入命令的使用一般是在原有管线上修改时使用（以确保单元序列正确）用（以确保
12、单元序列正确）49三维图形显示功能50检查错误错误检查栏内红色信息错误检查栏内红色信息为错误信息；为错误信息；绿色信息为警告信息；绿色信息为警告信息；蓝色信息为备注信息蓝色信息为备注信息双击对应警告双击对应警告信息软件会自信息软件会自动切换到相应动切换到相应单元的数据表单元的数据表界面界面双击此处警双击此处警告信息告信息51软件报告解读和输出用户定义的计算工况（冷用户定义的计算工况（冷态、热态、纯热态等）态、热态、纯热态等）计算参数（位计算参数（位移、推力、应移、推力、应力等）力等）杂项（弹簧报告、杂项（弹簧报告、输入数据、工况定输入数据、工况定义等数据）义等数据）报告生成器（用户首先在左侧选中需要报告生成器（用户首先在左侧选中需要输出的数据添加到右侧窗口中）输出的数据添加到右侧窗口中）如下确定需要查看的数据如下确定需要查看的数据报告后点击报告查看按钮报告后点击报告查看按钮52三维管道模型分析功能运用动态显示动态显示三维管道模三维管道模型分析型分析用户可以将管线上用户可以将管线上各点应力按与许用各点应力按与许用应力的百分比以不应力的百分比以不同颜色区分同颜色区分用户换可以通过静态图形显示用户换可以通过静态图形显示将管道冷态或热态的管道变形将管道冷态或热态的管道变形显示在三维图形上。显示在三维图形上。53总体 vs. 局部坐标系54总体 vs. 局部坐标系55谢 谢56
